Батареи контроллер – Что такое контроллер заряда аккумулятора. Контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора

принцип, функции и что такое

Столкнувшись с неполадками в зарядке мобильного гаджета, следует разобраться в особенностях этого процесса и в том, как именно работает контроллер батареи на основе литий-ионной технологии. Мы должны понимать источник возникшей проблемы, чтобы исправить её.

В этой статье предлагаем вкратце рассмотреть принцип работы контроллера батареи и узнать его назначение.

Что такое контроллер батареи?

Контроллер заряда аккумулятора — простыми словами, это печатная плата внутри элемента питания (иногда крепится прямо на его корпусе). Правильное её название «BMS-плата» (Battery Management System), то есть плата системы управления аккумулятором.

Прежде всего, контроллер нужен для сохранения дорогостоящего аккумулятора от критических отклонений напряжения от номинальных 3,7 Вольт путём отключения.

На BMS-плате распаяны электронные компоненты для защиты устройства от неисправностей по электроцепи питания. Без неё работать литий-ионные аккумуляторы теоретически могут, но это приведёт к их скорейшему выходу из строя с высокой вероятностью взрыва.

Из чего состоит контроллер батареи?

Электросхема очень простая и не требует глубоких познаний в схемотехнике. Хотя производители дорогостоящих смартфонов и пытаются усовершенствовать её, но принцип конструкции остаётся одинаковым для всех.

На печатной плате контроллера батареи в большинстве случаев размещаются:

• • резистор в схеме питания,
• • накопительный конденсатор,
• • непосредственно сам контроллер защиты в виде микросхемы,
• • резистор в схеме защиты,
• • терморезистор,
• • MOSFET-транзисторы.

В ряде случаев контроллер распаян на три контакта вместо двух — тогда помимо традиционных «плюса» и «минуса» производитель применяет так называемый «информационный контакт».

Принцип работы контроллера батареи в гаджетах

Каких-то редких узлов контроля цепи питания на аккумуляторах в телефонах, планшетах и ноутбуках вы не встретите, поэтому можно условиться, что все они выполняют примерно одинаковые задачи в мобильных устройствах.

1. Контролирует процесс заряда устройства.

При зарядке с 0% включает режим предварительной зарядки до примерно 10%. Затем увеличивает скорость заполнения ёмкости аккумулятора и постоянным током заряжает до 70-85%. Далее снижает напряжение для завершающего этапа в режиме дозарядки — процесс замедляется для меньшей нагрузки на элемент питания.

Бывает, что контроллер неправильно определяет пограничные значения процента заряда и требует «калибровки».

2. Не даёт аккумулятору перезарядиться.

Есть установленное максимальное значение напряжения для Li-Ion — 4,15-4,2 В. При достижении такой высокой цифры питание отключается (иначе батарея вздуется или даже взорвётся).

3. Защищает батарею от глубокого разряда

Есть также пороговое минимальное значение напряжения для Li-Ion — 2,9-3 В. Более низкие значения приводят к потере ёмкости и другим неприятным последствиям.

4. Ограничивает ток

Принципиальная функция для защиты по току электросиловой цепи («просадки» напряжения на 150 мВ и более), без которой срок службы аккумулятора уменьшится, а также от короткого замыкания.

5. Оптимизация батареи

Её ещё называют «балансировка аккумулятора» — система из последовательно установленных электронных компонентов. Нужна для устранения разброса значений по электросхеме, что увеличивает срок службы слабых звеньев элемента питания, а значит и его самого.

6. Отслеживание температуры

Присутствует не во всех аккумуляторных контроллерах для удешевления, но практически всегда такая функция необходима для защиты от перегрева или переохлаждения. Операционная система также получает эту информацию для отслеживания состояния батареи.

Все значения однократно вносятся в контроллер ещё на производстве. Подстройка через ОС или «перешивка» значений встречается крайне редко. Также производители нередко удешевляют конструкцию контроллера для аккумуляторов телефона и урезают принцип работы в том или ином виде.

Посмотрите видео

Рекомендуем увидеть ликбез с YouTube-канала Energy DIY, в котором подробно и наглядно показано то, о чём мы здесь рассказали вкратце.

***

Теперь вы знаете, что такое контроллер батареи в мобильном устройстве и сможете разобраться, является ли причиной неполадки одна из его функций. Например, это может быть перегрев, либо неисправный адаптер питания со слишком высоким значением напряжения.

Узнайте больше о неполадках

Хотите добавить что-то важное о контроллерах? Оставьте информацию или вопрос в комментарии. Ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Контроллер батареи в телефоне — что это и как работает?

Как работает контроллер питания в современных телефонах?

В современных литий-ионных аккумуляторах установлен контроллер заряда — устройство, которое следит за текущим напряжением. Оно нужно, чтобы из-за поступления большого напряжения смартфон не вышел из строя или не сгорела батарея.

Процесс зарядки смартфона состоит из нескольких этапов.

1. Если текущий заряд равен 0%, при подключении телефона к сети начинается первый этап — предварительная зарядка. Когда аккумулятор достигает значения заряда около 5-10%, начинается второй этап.
2. Здесь подключается контроллер — он подает постоянный ток. Со временем напряжение увеличивается, вместе с этим повышается скорость зарядки. Когда заряд батареи достигает 80-85%, контроллер снижает напряжение.
3. Начинается последний, третий этап — медленная зарядка, также известный как режим дозарядки.

Контроллер питания снижает напряжение, чтобы снизить нагрузку на аккумулятор телефона. Когда достигается низкое значения напряжения (обычно 1,5-2 Вольт), контроллер отключает MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока в гаджет. Устройство переходит в режим сна, потребление энергии снижается. Благодаря этому смартфон не перегревается, даже если оставить его заряжаться на всю ночь.

Если подключить некачественное зарядное устройство к гаджету, контроллер начнет проверку. Его задача — установить предельные значения для основных параметров ЗУ: напряжение, ток заряда, входной ток. Для контроллера важно, чтобы зарядное устройство не повредило батарею. Благодаря этому снижается износ аккумулятора.

Еще одно назначение контроллера — отключение мобильного устройства. Когда аккумулятор разряжается практически полностью, смартфон отключается. Это снижает процесс износа батареи, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации гаджета.

Загрузка…

Что такое контроллер заряда аккумулятора. Контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора

Контроллеры сами по себе устройства полезные. И чтобы лучше разобрать эту тему, необходимо работать с определённым примером. Поэтому мы и рассмотрим контролер заряда аккумулятора. Что он собой представляет? Как устроен? Какие особенности работы существуют?

Чем занимается контроллер заряда аккумулятора

Он служит для того, чтобы следить за восстановлением энергетических потерь и тратами. Сначала он занимается отслеживанием превращения электрической энергии в химическую, чтобы в последующем при наличии надобности было снабжение требуемых схем или приборов. Сделать контроллер заряда аккумулятора своими руками не сложно. Но его также можно извлечь из источников питания, которые вышли из строя.

Как устроен контроллер

Конечно, универсальной схемы не существует. Но многие в своей работе используют два посдтроечных резистора, которые регулируют верхний и нижний предел напряжения. Когда оно выходит за заданные рамки, то начинается взаимодействие с обмотками реле, и оно включается. Пока оно работает, напряжение не опустится ниже определённого, технически заранее предусмотренного уровня. Тут следует поговорить о том, что существует различный диапазон границ. Так, для аккумулятора может быть установлено и три, и пять, и двенадцать, и пятнадцать вольт. Теоретически всё упирается в аппаратную реализацию. Давайте рассмотрим, как работает контроллер заряда аккумулятора в разных случаях.

Какие бывают типы

Следует отметить значительное разнообразие, которым могут похвастаться контроллеры заряда аккумулятора. Если говорить о их видах, давайте сделаем классификацию в зависимости от сферы применения:

1. Для возобновляемых источников энергии.
2. Для бытовой техники.
3. Для мобильных устройств.

Конечно, самих видов значительно больше. Но поскольку мы рассматриваем контроллер заряда аккумулятора с общей точки зрения, то нам хватит и их. Если говорить про те, что применяются для солнечных батарей и ветряков, то в них верхний предел напряжения обычно равняется 15 вольтам, тогда как нижний – 12 В. При этом аккумулятор может генерировать в стандартном режиме 12 В. Источник энергии подключают к нему с использованием нормально замкнутых контактов реле. Что будет, когда напряжение аккумулятора превышает установленные 15 В? В таких случаях контроллером осуществляется замыкание контактов реле. В результате источник электроэнергии с аккумулятора переключается на нагрузочный балласт. Следует отметить, что его не особенно любят ставить для солнечных панелей из-за определённых побочных эффектов. А вот для ветряных генераторов они являются обязательными. Бытовая техника и мобильные устройства имеют свои особенности. Причем контроллер заряда аккумулятора планшета, сенсорного и кнопочного сотового телефонов являются практически идентичными.

Заглянем в литиево-ионный аккумулятор сотового телефона

Если расковырять любую батарею, то можно заметить, что к выводам ячейки припаивается маленькая печатная плата. Она называется схемой защиты. Дело в том, что литиево-ионные аккумуляторы требуют наличия постоянного контроля. Обычная схема контроллера представляет собой миниатюрную плату, на которой базируется схема, сделанная из SMD-компонентов. Она в свою очередь делится на две микросхемы – одна из них является управляющей, а другая – исполнительной. Давайте поговорим более детально о второй.

Исполнительная схема

Она базируется на транзисторах MOSFET. Обычно их два. Сама же микросхема может иметь 6 или 8 выводов. Для раздельного контроля заряда и разряда ячейки аккумулятора используют два полевых транзистора, которые находятся в одном корпусе. Так, один из них может подключать или отключать нагрузку. Второй транзистор делает эти же действия, но уже с источником питания (в качестве которого выступает зарядное устройство). Благодаря такой схеме реализации можно без проблем влиять на работу аккумулятора. При желании ею можно воспользоваться и в другом месте. Но следует учитывать, что схема контроллера заряда аккумулятора и он сам может применяться только к устройствам и элементам, что обладают ограниченным диапазоном работы. Более детально о таких особенностях мы сейчас и поговорим.

Защита от перезаряда

Дело в том, что если напряжение литиевого аккумулятора превысит 4,2, то может возникнуть перегрев и даже произойти взрыв. Для этого подбираются такие элементы микросхем, которые будут прекращать заряд при достижении данного показателя. И обычно, пока напряжение не достигнет показателя в 4-4,1 В из-за использования или в процессе саморазряда, дальнейшая зарядка будет невозможной. Это важная функция, которая возложена на контроллер заряда литиевых аккумуляторов.

Защита от переразряда

Когда напряжение достигает критически малых значений, которые делают проблемным само функционирование устройства (обычно это диапазон в 2,3-2,5В), то выключается соответствующий MOSFET-транзистор, который отвечает за подачу тока мобильнику. Далее происходит переход в режим сна с минимальным потреблением. И тут имеется довольно интересный аспект работы. Так, пока напряжение ячейки аккумулятора не станет больше 2,9-3,1 В, мобильное устройство не получится включить для работы в обычно режиме. Наверное, такое вы могли замечать, что когда подключаешь телефон, он показывает, что идёт зарядка, но сам включаться и функционировать в обычном режиме не хочет.

Защитные механизмы

Следует отметить, что контроллер заряда аккумулятора имеет целый ряд элементов, которые должны уберечь от негативных последствий. Так, это и паразитные диоды, что размещены в полевых транзисторах, схема обнаружения заряда и ещё несколько мелких дополнений. Ах, да, и если есть возможность проверить контроллер заряда аккумулятора и узнать работоспособность источника энергии, то его функционирование можно восстановить даже при «смерти». Конечно, под этим подразумевается просто прекращение работы, а не взрыв или расплавление. В этом деле могут помочь специальные приборы, которые проводят специальную «восстановительную» зарядку. Конечно, работать они будут долго – процесс может растянуться на десятки часов, но после успешного завершения аккумулятор будет работать почти как новенький.

Заключение

Как видите, контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора играет важную роль в обеспечении длительности работоспособности мобильных устройств и позитивно сказывается на сроке их службы. Благодаря простоте производства их можно найти практически в любом телефоне или планшете. Если будет желание собственными глазами увидеть, а руками потрогать контроллер заряда Li-Ion-аккумулятора и его содержимое, то при разборе следует помнить, что работа ведётся с химическим элементомв, поэтому следует соблюдать определённую осторожность.

Схема контроллера литий-ионного аккумулятора.

Устройство и принцип работы защитного контроллера Li-ion/polymer аккумулятора

Если расковырять любой аккумулятор от сотового телефона, то можно обнаружить, что к выводам ячейки аккумулятора припаяна небольшая печатная плата. Это так называемая схема защиты, или Protection IC

.

Из-за своих особенностей литиевые аккумуляторы требуют постоянного контроля. Давайте разберёмся более детально, как устроена схема защиты, и из каких элементов она состоит.

Рядовая схема контроллера заряда литиевого аккумулятора представляет собой небольшую плату, на которой смонтирована электронная схема из SMD компонентов. Схема контроллера 1 ячейки («банки») на 3,7V, как правило, состоит из двух микросхем. Одна микросхема управляющая, а другая исполнительная – сборка двух MOSFET-транзисторов.

На фото показана плата контроллера заряда от аккумулятора на 3,7V.

Микросхема с маркировкой DW01-P в небольшом корпусе – это по сути «мозг» контроллера. Вот типовая схема включения данной микросхемы. На схеме G1 — ячейка литий-ионного или полимерного аккумулятора. FET1, FET2 — это MOSFET-транзисторы.

Цоколёвка, внешний вид и назначение выводов микросхемы DW01-P.

Транзисторы MOSFET не входят в состав микросхемы DW01-P и выполнены в виде отдельной микросхемы-сборки из 2 MOSFET транзисторов N-типа. Обычно используется сборка с маркировкой 8205, а корпус может быть как 6-ти выводной (SOT-23-6), так и 8-ми выводной (TSSOP-8). Сборка может маркироваться как TXY8205A, SSF8205, S8205A и т.д. Также можно встретить сборки с маркировкой 8814 и аналогичные.

Вот цоколёвка и состав микросхемы S8205A в корпусе TSSOP-8.

Два полевых транзистора используются для того, чтобы раздельно контролировать разряд и заряд ячейки аккумулятора. Для удобства их изготавливают в одном корпусе.

Тот транзистор (FET1), что подключен к выводу OD (Overdischarge) микросхемы DW01-P, контролирует разряд аккумулятора – подключает/отключает нагрузку. А тот (FET2), что подключен к выводу OC (Overcharge) – подключает/отключает источник питания (зарядное устройство). Таким образом, открывая или закрывая соответствующий транзистор, можно, например, отключать нагрузку (потребитель) или останавливать зарядку ячейки аккумулятора.

Давайте разберёмся в логике работы микросхемы управления и всей схемы защиты вцелом.

Защита от перезаряда (Overcharge Protection).

Как известно, перезаряд литиевого аккумулятора свыше 4,2 – 4,3V чреват перегревом и даже взрывом.

Если напряжение на ячейке достигнет 4,2 – 4,3V (Overcharge Protection Voltage — V_OCP), то микросхема управления закрывает транзистор FET2, тем самым препятствуя дальнейшему заряду аккумулятора. Аккумулятор будет отключен от источника питания до тех пор, пока напряжение на элементе не снизится ниже 4 – 4,1V (Overcharge Release Voltage – V_OCR) из-за саморазряда. Это только в том случае, если к аккумулятору не подключена нагрузка, например он вынут из сотового телефона.

Если же аккумулятор подключен к нагрузке, то транзистор FET2 вновь открывается, когда напряжение на ячейке упадёт ниже 4,2V.

Защита от переразряда (Overdischarge Protection).

Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 2,3 – 2,5V (Overdischarge Protection Voltage — V_ODP), то контроллер выключает MOSFET-транзистор разряда FET1 – он подключен к выводу DO.

Далее микросхема управления DW01-P перейдёт в режим сна (Power Down) и потребляет ток всего 0,1 мкА. (при напряжении питания 2V).

Тут есть весьма интересное условие. Пока напряжение на ячейке аккумулятора не превысить 2,9 – 3,1V  (Overdischarge Release Voltage — V_ODR), нагрузка будет полностью отключена. На клеммах контроллера будет 0V. Те, кто мало знаком с логикой работы защитной схемы могут принять такое положение дел за «смерть» аккумулятора. Вот лишь маленький пример.

Миниатюрный Li-polymer аккумулятор 3,7V от MP3-плеера. Состав: управляющий контроллер — G2NK (серия S-8261), сборка полевых транзисторов — KC3J1.

Аккумулятор разрядился ниже 2,5V. Схема контроля отключила его от нагрузки. На выходе контроллера 0V.

При этом если замерить напряжение на ячейке аккумулятора, то после отключения нагрузки оно чуть подросло и достигло уровня 2,7V.

Чтобы контроллер вновь подключил аккумулятор к «внешнему миру», то есть к нагрузке, напряжение на ячейке аккумулятора должно быть 2,9 – 3,1V (V_ODR).

Тут возникает весьма резонный вопрос.

По схеме видно, что выводы Стока (Drain) транзисторов FET1, FET2 соединены вместе и никуда не подключаются. Как же течёт ток по такой цепи, когда срабатывает защита от переразряда? Как нам снова подзарядить «банку» аккумулятора, чтобы контроллер опять включил транзистор разряда — FET1?

Дело в том, что внутри полевых транзисторов есть так называемые паразитные диоды – они являются результатом технологического процесса изготовления MOSFET-транзисторов. Вот именно через такой паразитный (внутренний) диод транзистора FET1 и будет течь ток заряда, так как он будет включен в прямом направлении.

Если порыться в даташитах на микросхемы защиты Li-ion/polymer (в том числе DW01-P, G2NK), то можно узнать, что после срабатывания защиты от глубокого разряда, действует схема обнаружения заряда —

Charger Detection. То есть при подключении зарядного устройства схема определит, что зарядник подключен и разрешит процесс заряда.

Зарядка до уровня 3,1V после глубокого разряда литиевой ячейки может занять весьма длительное время — несколько часов.

Чтобы восстановить литий-ионный/полимерный аккумулятор можно использовать специальные приборы, например, универсальное зарядное устройство Turnigy Accucell 6. О том, как это сделать, я уже рассказывал здесь.

Именно этим методом мне удалось восстановить Li-polymer 3,7V аккумулятор от MP3-плеера. Зарядка от 2,7V до 4,2V заняла 554 минуты и 52 секунды, а это

более 9 часов! Вот столько может длиться «восстановительная» зарядка.

Кроме всего прочего, в функционал микросхем защиты литиевых акумуляторов входит защита от перегрузки по току (Overcurrent Protection) и короткого замыкания. Защита от токовой перегрузки срабатывает в случае резкого падения напряжения на определённую величину. После этого микросхема ограничивает ток нагрузки. При коротком замыкании (КЗ) в нагрузке контроллер полностью отключает её до тех пор, пока замыкание не будет устранено.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

E-ink-Reader. Контроллер заряда батареи

Вот как выглядит плата контроллера заряда, извлеченная из аккумулятора NOKIA BL-6Q и ее электрическая схема.

Давайте разберемся как это работает. Аккумулятор подключается к двум контактным площадкам, расположенным по бокам контроллера (B- и B+). На печатной плате расположены две микросхемы — TPCS8210 и HY2110CB.

Задачей контроллера является поддержание напряжения на аккумуляторной батарее в пределах 4,3 — 2,4 вольт для ее защиты от перезаряда и переразряда. В режиме нормального разряда (или заряда) микросхема HY2110CB выдает на выводы OD и OS напряжение высокого уровня, которое немного меньше напряжения на батарее.

Это напряжение держит постоянно открытыми полевые транзисторы микросхемы TPCS8210, через которые батарея подсоединяется к нагрузке (Вашему устройству).

При разряде аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе станет меньше 2,4 вольта, сработает детектор переразряда микросхемы HY2110CB и на выход OD перестанет выдаваться напряжение. Верхний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и таким образом батарея отключится от нагрузки.

При зарядке аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4,3 вольта, сработает детектор перезаряда микросхемы HY2110CB и на выход OС перестанет выдаваться напряжение. Нижний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и батарея также отключится от нагрузки.

Альтернативный способ замены

Как видно из схемы ни у одной из микросхем нет никакого вывода для передачи информации о состоянии батареи в Ваше устройство. Выход контроллера «К» просто подсоединен через резистор определенного номинала к отрицательному выводу батареи. Следовательно никакой «секретной» информации от контроллера батареи не поступает. В некоторых моделях контроллеров вместо постоянного резистора устанавливают терморезистор для контроля температуры батареи.

По номиналу этого резистора Ваше устройство может определить тип аккумулятора, или выключиться при несоответствии этого номинала нужным значениям.

Значит для замены такого аккумулятора на аккумулятор другого производителя не обязательно менять контроллер заряда, достаточно просто замерить резистор, стоящий между выводами «-» и «К» и подключить вывод «К» устройства к минусу батареи через внешний резистор того же номинала.

Документацию на используемую в контроллере микросхему HY2110CB можно скачать здесь , а на микросхему TPCS8210 — здесь .

Рассмотрим, на примере электронной книги LBOOK V5, как наиболее точно сделать аналог батареи с использованием знаний об устройстве контроллера заряда. Все работы проводим в следующей последовательности:

• Находим аккумулятор от сотового телефона, ближайший к родному по габаритам и емкости. В нашем случае это NOKIA BL-4U. (Справа на рисунке)
• Откусываем провод от родного аккумулятора с таким расчетом, чтобы оставшейся части на разъеме хватило для припайки нового аккумулятора, а оставшейся части на старой батарее хватило для зачистки проводников и измерения тестером.
• Берем любой цифровой тестер и устанавливаем на нем режим измерения сопротивления, предел измерения — 200 Ком. Подключаем его к отрицательному выводу и выводу контроллера родной батареи. Измеряем сопротивление.
• Отключаем прибор. Ищем ближайший по номиналу резистор. В нашем случае — это 62 Ком.
• Припаиваем резистор между отрицательным выводом новой батареи и проводом выхода контроллера на разъеме. (Желтый провод на рисунке).
• Припаиваем выводы разъема «+» и «-» соответственно к плюсовому и минусовому выводу новой батареи. (Красный и черный провода на рисунке).

Читать дальше

Интернет-переписка Эмми и Лео — виртуозно и остроумно написанная история случайной встречи двух одиночеств в Сети. В их мейлах нет пауз. Их мысли неудержимым потоком несутся на монитор и превращаются в текст книги. Их диалог спонтанен, полон энергии, жизни и переживаний. Но выдержат ли чувства героев встречу в реальной жизни? Ведь северный ветер дует им прямо в лицо…

Нил Гейман «Все новые сказки». Гениальный рассказчик Нил Гейман собрал лучшие новеллы в жанре хоррор и саспенс, написанные признанными мастерами американской прозы. Это коллекция умных, тонких, захватывающих и очень разных историй. А еще это идеальная книга для пляжного отдыха: длины одной сказки как раз хватит, чтобы получить порцию ультрафиолета на лежаке — и бежать в воду.